4自供电型超快速直流固态断路器优化设计

1、自供电型超快速直流固态断路器优化设计1，2，1，1，1(1. 湖南大学，湖南沙市 410082；2.湖南省电力公司检修公司，湖南沙市 410007)摘要：直流断路器具备故障跳闸和保护系统电力设备的作用，是直流保护系统的之一。本文主要研究了基于 SiC JFET的自供电型超快速直流固态断路器的拓扑结构和工作原理，并对其驱动电路自供电原理，能量转移，参数设计等进行了详细的分析和理论推导。通过对断路器驱动电路的优化设计，合理控制断路器故障切除时间，以适应现阶段分布式能源接入直流配电网络的不同情况。最后搭建固态断路器实验样机及短路故障实验，将驱动电路优化前后的实验结果进行对比，验证了该驱动电路设计方法

2、的有效性。并采用最优电路参数测试了断路器的通断性能，短路故障切除时间为微秒级。：固态断路器；直流配电网；分布式能源；驱动电路；短路故障Optimization Design of Self-ered Ultra-Fast DCSolid Se Circuit BreakersXIONG Zhijie1 ,CHENG Ying2 ,LEI Zhiqi1,HE Dong1 ,SHUAI Zhikang1(1.an University, Changsha 410082,an Provence, China;2.an Electricer Ma enance Company Changsha4100

3、07,an Provence, China;)Abstract: DC circuit breaker is one of the key technologies in dc protection systems, which can protecter equipment and isolatefault.his pr, the topology and operating principle of the self-ered ultra-fastolid-s e circuit breakers based on SiC JFET arestudied. In addition, the

4、 self-ered principle, energy transfer and parameter design of the drive circuit areyzed and deduced in detail.The fault clearing time of the circuit breaker is controlled reasonably by optimizing the parameters of the drive circuit to adapt the differentsituation of dc distribution network with dist

5、ributed energy. Finally, the experimental platform of short circuit fault is established, theexperimental results of the drive circuit are compared before and after the optimization of the driving circuit. This design method of thedriving circuit is verified. The performance of the circuit breaker i

6、s tested by the best optimal parameters. These results show theimplemen ion approach is able to achieve protection system operating withhe order of a few microseconds.Key words: solid s e circuit breaker; dc distribution network; distributed energy; drive circuit; short circuit fault然而缺乏有效的直流保护技术阻碍了

7、直流系统的进一步发引言展。同时，直流配电网中不同接地方式及分布式电源接入近几年，光伏发电、电池等分布式能源技术的发使故障电流特征呈现多样化和复杂化，导致了直流断路器展及直流负载的增多，使得直流配电系统受到广泛的关注的设计。同时也对直流断路器的分断容量、反应速度1。直流配电网的应用为分布式能源提供了有效可靠接入，等性能提出了更高的要求。目前直流断路器技术大体可分为三类13-15：机械式断基金项目：国家自然科学基金项目（51677062）。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(NSFS)(51677062

8、).路器、混合式断路器和固态断路器（SSCB，Solid S eCircuit Breaker）。机械式断路器具有导通功耗低、带负载能力强等优点，文献3-6将其应用于直流配电网中进行短的参数特性调节固态断路器开断时间。最后利用固态断路器样机及短路故障实验验证了断路器优化设计的有效路故障切除，其中人工电流零点型和限流开断型等开断方性和正确性。式使得断路器更为优化。但其反应速度慢短等缺点，1 SiC JFET 断路器拓扑结构与工作原理难以满足电力用户对实现断路器灵活控制和短路电流切断图1 为自供电型超快速SSCB 的拓扑结构图，图中主要由一个常通型 SiC JFET 静态开关和一个快速启动的速动性

9、要求。混合式断路器综合了机械开关良好的静态特性和电力电子器件良好的动态特性，但在一定程度上其DC/DC 变换保护驱动电路。其中保护驱动电路由电压故障电流的开断时间仍会受到机械开关动作时间的限制。检测电路，信号发生器，图腾电路和 DC/DC变换器随着电力电子器件的不断发展，文献7-9采用高速四部分组成。和 IGCT 为直流固态断路器的主开关器件，利用一个电流SSCB 接入直流配电系统，正常运行时，流经 SSCB的电流较小，在常通型器件 JFET 两端会形成一个非常小传感器检测直流系统短路故障电流，通过控制单元处理过电流信号来决定固态开关的开断，有效解决了故障切除响的压降（由于SiC JFET 器

10、件通态电阻为 45 m），此通态应时间慢。但这类固态断路器通态损耗高，单管器压降不会使得驱动电路工作，从而在SiC JFET 门极无偏置件易过压过流。现阶段，随着宽禁带半导体的快速发展，电压，则主电路保持常通运行。该断路器充分发挥了常通以SiC 为代表的宽禁带半导体器件因具有高工作电压、高型宽禁带半导体器件导通损耗低的优势，大幅降低了其通功率密度、低开通损耗、反应迅速等优点受到了广泛关注10。若在直流固态断路器中发挥宽禁带半导体器件的优势，将为解决基于硅功率器件的直流固态断路器存在的反应速态损耗，因此可使整个直流配电系统高效运行。若直流配电系统发生短路故障，由于短路电流增加，SiC JFET

11、漏源极压降随之增加，电压检测电路采样电压达度慢、通态损耗高、系统设计复杂等问题提供行之有效的到信号发生器TL494驱动电路提供的工作电压后，TL494 为三极管途径。波。其图腾驱动中三极管开通瞬间，基于宽禁带半导体器件的直流固态断路器尚处于初步驱动电路应能提供足够大的充电电流使 MOSFET 栅源极研究阶段。2014 年，Yukihiko Sato 等人提出了一种基于SiCSIT 的直流固态断路器及其控制方法16，有效减少了切除电压迅速上升，保证开关管快速开通，且三极管导通期间能保证 MOSFET 栅源极电压稳定。当 MOSFET 导通时，C2 中的电荷通过 DC/DC 变换器快速转移到输出电

12、容 C3，负的栅源极电压使SiC JFET 快速关断。在短路故障状态下，短路故障过程中瞬态过压和振荡。2015 年，湖南大学教授等提出一种基于常通型SiC JFET 的自供电、超快速直流固态断路器17。其因结构简单、性能可靠、无需外部电源、反应迅速等优势而备受关注。SSCB 无需单独提供外接电源，实现了自供电的特性。当SiC JFET 的漏源极电压低于保护驱动电路的激活阈值电压时，SSCB 则被重置，此时断路器恢复正常运行。本文主要对自供电型超快速直流固态断路器驱动电路的工作原理进行了详细的分析和理论计算，优化驱动电路保护驱动电压检测信号发生器iDSR2LiL22DD4DGR1C1R62L1Q

13、1MOVR5iL3L3R4SQ3C3VccDiR8C13L1TLRTQ4直流变换器494 ECT1D1C2QVC2C4R72D5图腾驱动图 1.自供电型超快速直流固态断路器的结构拓扑Fig.1. Structure topology of self-ered ultra-fastolid se circuit breakers性，当电容未充满时不具备阻断直流的特性，电容 C1、 C2 在未充满的状态下为短路状态，故而其电路能量转移如图 3 所示。R22 SiC JFET 断路器驱动电路优化设计为了调节 SSCB 切断故障的响应速度，并满足其自供电的特性，本小节详细分析了自供电型超快速 SSCB

14、检测电路的能量转移和参数设计方法。为了进一步提高i2C1R1断路器的速动性，对驱动电路中DC/DC 变换器进行了正反激电路设计。VinC22.1 检测电路能量转移及参数设计VC2D1当直流系统发生短路故障时，主开关 SiC JFET 两端将产生一个较大的漏源极电压，当达到 TL494 工作电压时，开始为断路器的保护驱动电路供电，断路器检测电图 3.第一阶段能量转移Fig.3. Phase I energy transfer Figure路在直流系统中的等效电路图如图 2 所示。通过图 3 的检测电路能量转移图，UC UC UR Vin(1)122R1C1C1C2为简化公式，设定C ，有VinC

15、 C12C2VC2dUCdUCD1i C dUC C C12(2)212dtdtdt结合（1），（2）式可推出图 2.检测电路拓扑dU (t)R C C U (t) V(3)2CindtFig.2. Topology of detecting circuit此检测电路由 R1、R2、C1、C2、D1 组成，其能量转移过程分为三个阶段：解此微分方程，t R2CU (t) VAe(4)Cin（1）C1、C2 共同充电阶段：电压源首先给检测电路上述过程初始条件下，检测电路中C1、C2 值均为0，电容 C 、C 充电，由于电容具有通直流阻交流的动态特12故 UC=0Fig.4. Phase II en

16、ergy transfer Figure0当 t = t1 时，电容 C2 充满，此时 C1 两端的电压为V V U 0 Ae AR2C(5)ininC t1 1CU t V 1 eR2C t 1U 与时间 t 的关系式为i d2(10)Cin C1 12C CC0112 t U (t) V (1 e R2C )(6)Cin根据图 4 第二阶段能量转移途径和（10）式可知经式（2），（6）可以推出dUtUt C VR(11)1C2 11 2indt t 1C1Vin 1 e2 tt R Cidid(7)第二阶段 C 两端电压 U 关于时间 t解微分，221C1C0012的函数关系根据图 1 可

17、知，驱动保护电路由电容 C2 两端的电压V U t U t t R2C1 (12)U t V U(t ) inC1C 1 e供电。因此给电容 C 、C 同时充电时，为了提高断路器2 t1 1 12C1inC21R2C1e的速动性，电容 C 必须先充满电，故而电容 C 的取值22经过第一二阶段，电容 C1 现已充满，其两端电压关于时间 t 的关系可用分段函数表示为小于 C1。因此整个过程中电容 C2 两端电压的表达式在第一阶段求得。由式（6）、（7）推导在第一阶段 C2 两端电压 UC2 关于时间 t 的函数关系U t C(t) 2 V 1 eR2C 0 t tin C11C C12 t V U

18、 t U t (13) t 1C2CUtR2C t V U (t ) UC (t) 2V1 e inC 1C 1 R2C1et t tid1C1 C2(8)2 1 t1 C1inC2 1122in0R2C1e（3）稳定驱动阶段：当电容 C1 充满时，开始阻断直流电，其稳定电流通过 R1、D1 形成回路，维持 C2 电压从而C 充电时间为2C CU(t) t R2C ln1C122的稳定，给驱动电路供电。稳压管 R 为动态电阻，其电(9)ztCVin1路能量转移如图 5 所示。（2）C1 单独充电阶段：当 C2 充满时，由于 C2C1，R2i1故而电容 C 还处于未满的短路状态，电压源通过 R

19、、12R1C1C 、D通电回路给 C 充电，直至 C 充满阻断直流1111Vin电，其电路能量转移如图 4 所示。R2VCC2D1C1R1图 5.第三阶段能量转移VinFig.5. Phase III energy transferC2VCD1稳定驱动状态下，其线路电流为i1 Vin (R1 Rzt )(14)图 4.第二阶段能量转移基于以上对检测电路能量转移的理论分析，第一阶段电容 C2 充满时，检测电路便具备给后续驱动电路供电的能力，因此时间 t1 对断路器的速动性起着决定性作用。故而选取检测电路参数时，电容 C1 远大于 C2，此时 C1的主要作用是使SiC JFET 漏源极电压加速给

20、C2 充电，稳压管不起作用。当第二阶段能量转移时，C2 可以看作以上参数中第四组参数为断路器最快的开断速度，检测电路的时间缩短至 1.7910-3us。相对而言，四组数据中，第一组开断速度最慢，其检测电路的时间为7.4510-1us。2.2DC/DC 正反激电路设计是断开，电阻 R2、电容 C1 与稳压管 D1回路，D1本文为了给驱动电路提供可靠的电气和保证具备稳压功能，并且 C1 充电结束的时间 t2 限制了 TL494发波的周期。当第三阶段能量转移时，应选取较大阻值故障电流快速切除，采用了 DC/DC变换器进行升压设计。的 R1，限制流经稳压管的稳定电流 i1，防止稳压管反向击穿，同时维持

21、 C2 两端的电压，完成该断路器自供电特驱动电路中DC/DC 反激电路如图 6 所示，其中的变压器起着能量的作用，当 MOSFET 开通后，D2性，其高速切除短路故障。处于断态，绕组 L1 的电流线性增长，电感储能增加；表 1.检测电路参数理论计算结果U C2(t t )i(15)L12Tab.1.Theoretical results of the detection circuit parametersL1R4C3L2L1D2Vin为了详细了解检测电路参数变化对该断路器的影响，本文在断路器样机的基础上，采用控制变量法对不图 6. DC/DC 反激电路同 R2，C1，C2 的值进行理论计算。

22、由表 1 中理论计算结果可知，当检测电路参数发生Fig.6. DC/DC flyback circuit当 MOSFET 关断后，绕组 L1 的电流被切断，变压变化的情况下（其他电路参数不变），断路器切除故障的器中的磁场能量通过绕组 L2 和 D2 向输出端，电容响应时间取决于时间 t1。因此通过适当调整断路器检测C3 两端的电压开始逐渐上升，用以到达 SiC JFET 开通的栅极偏置电压。电路参数即可改变切除故障时间，由此如下结论：（1）第一组参数和第二组参数的计算理论值相比，121L2iL (t) C3UC (t)22(16)2随着 C2 容值的减小，断路器切除故障时间随之减小；第二组参数

23、和第三组参数的计算理论值相比，随着 C1 的减小，断路器切除故障时间略增加，可认为 C1 的变化对断路器切除故障时间几乎忽略不计；第二组参数和第四组参数的计算理论值相比，23由于反激电路中变压器充当 Buck-Boost 电路中电感的作用，为了缩短变压器储能时间，设计中采用正反激电路，如图 7 所示。随着 R2 变小，断路器切除故障时间减小，并与之成正比。组号R2/C1/FC2/FUc2/VVin/Vt1/s12343.3110-6110-7567.4510-73.3110-6110-9565.9210-93.3110-7110-9566.0210-91110-6110-9561.7910-9

24、式（20）代入（17），正激电路的电路方程为二L2阶微分方程D2L1d 2U ( t)dU(t )C 3 p C 3qUC 3 (t) 0(21)dt 2L3 R3R4C3dtL3C3R4Vin, q R3 R 4 。其中 p D3R3R4C3 L3R4C3L3解二阶微分方程，得（a）正激动作UC3 (t) Ae 1 Be 2r tr t(22)L2D2 p p2 4qL1其中r。122L3C3R4Vin当正激动作开始时，初值 UC3(0)=0，二次侧电容开始充电，内阻近似为零，故经电容的初始电流值为D3R3(0) 2.5Vini (0) i (0) i（b）反激动作(23)C 3L34R3图

25、 7.DC/DC 正反激电路将初值代入式（22）中求解，Fig.7. DC/DC forward-flyback circuit2.5VinR3C3 ( p q)A (24)当 MOSFET 开通后，变压器一次侧绕组 L1 两端的电压为上正下负，与其耦合的绕组 L2 两端的电压为上正下负，而绕组 L3 两端的电压是上负下正。此时正激电路先动作，如图 7（b）所示。D3 处于通态，D2 处于断态，电容 C3 的电压开始逐渐上升。2.5VinR3C3 (q p)B (25)因此，UC3(t)的函数表达式为2.5VinU(t) er1er2t(26)C 3R C ( p q)R C (q p)3 3

26、3 3根据电压定律，因此当 MOSFET 断开后，绕组 L3 能量转移停止，此时反激电路动作，如图 7（a）所示。D3 处于断态，UL3 (t) UC3 (t) R3iL3 (t)在正激电路，流经绕组 L3 的电流为，iL3 (t) iC3 (t) i4 (t)(17)D2 处于通态，在绕组 L2 中的能量开始通过 D2 维持(18)电容 C3 两端的电压，保持SiC JFET 栅极偏置电压不变直至短路故障被切除。dUU(t)其中i (t) Ci (t) C3 。C 3dt，C 334R4故而断路器切除故障的时间取决于正反激电路中的由于正激电路动作到达SiC JFET 动作电压的时间 t。di

27、L3 (t)U (t) L(19)L33dt3 SiC JFET 断路器驱动电路实验分析将式（18）代入（9）为了验证本文驱动电路设计方法的有效性，研制了)(20)基于 SiC JFET 直流固态断路器样机进行实验。如图 84所示。因此采用正反激电路有效提高了 SSCB 切除故障时的响应速度。VdcVGS(MOSFET)VGS(SiC JFET)Vdc:200V/div VGS(MOSFFT):5V/div VGS(SiC JFET):5V/div图 8. 自供电型超快速直流 SSCB 样机时间:4us/divFig.8. Self-ered ultra-fastSCB(a). 反激电路波形断

28、路器的高速运行是直流配电系统保护的必要条件，因此本文利用 400Vdc 配电线路实验进一步研究VdcVGS(MOSFET)SiC JFET 断路器样机的响应特性，如图 9 所示。实验平台中，直流母线电压为 400V，负载电阻为 50。在直流电缆中，开关 S2 主要连接 SiC JFET 断路器和短路故VGS(SiC JFET)障电阻 Rfault。其中 Rfault 阻值为 2 的大功率电阻，通过Vdc:200V/div VGS(MOSFFT) 5V/div VGS(SiC JFET):5V/div时间:4us/divS 导通设置短路故障。2(b). 正反激电路波形400VR1/2 L1/2S

29、1SSCB图 10. SSCB 反激和正反激驱动电路波形Gridisc直流电源CSiC-JFETRload1R /2 L /2Fig.10. The waveforms of SSCB flyback and forward-flyback driven circuit11DC Cable根据上一组实验波形，驱动电路中正反激电路设计S2Rfault更为优化，因此在断路器样机大电流短路实验中，图 9. 400Vdc 配电线路实验结构图DC/DC 变换器均采用正反激电路。自供电型超快速直流SSCB 的检测电路参数优化前（表 1 第一组参数）后（表Fig.9. 400Vdc distribution

30、 line experimental platform structure diagram在断路器样机 DC/DC 变换器优化设计实验中，本1 第四组参数）故障切除实验波形如图 11 所示。其中蓝 色波形为直流母线电压；紫色波形为 MOSFET 栅极电压；绿色波形为 C2 两端电压；天蓝色波形为 SiC JFET 栅极 电压。图 11（b）中，优化后的 SSCB 主开关器件 SiC JFET 的栅极偏置电压 VGS 降至15V 的响应时间约为 3us（即 为故障切除时间），相比图 11（a），断路器的切除故障 时间缩短了 2us。图 11（b）中 VC2 和 VGS（MOSFET）两者上升的时

31、间几乎一致，同时 SiC JFET 的栅极偏置电反激电路设计和正反激电路设计的动态响应进行比较，两组设计中 DC/DC 变换器的开关器件 MOSFET 的栅极电压 VGS(MOSFET)，SSCB 主开关器件 SiC JFET的栅极偏置电压 VGS(SiC JFET)以及直流母线电压 Vdc 的波形如图 10 所示。当 SSCB 主开关器件 SiC JFET 的栅极偏置电压 VGS 从 0V 降到15V 时，常通型 SiC JFET动作，开断主电路，从而切除故障。以上实验结果可知，正反激电路设计的断路器响应时间比反激电路快约 3us，压VGS 开始下降，可知检测电路的参数优化设计对SSCB的性

32、能有着重要的影响。参考文献VdcVC21 江道灼直流配电网研究现状与展望J.电力系统自动化，2012,36(8):98-104VGS(MOSFET)Jiangzhuo, Zheng Huan. Research s us and developrospect of DC distribution networkJ.Automation of Electric断路器响应时间约5usVGS(SiC JFET)er Systems, 2012, 36(8): 98-104(in Chi)Vdc:100V/div VGS(MOSFFT):5V/div VGS(SiC JFET):5V/div2 王成山

33、，相分布式发电供能系统若干问题研究J. 电力时间:4us/div(a). 参数优化前切除故障波形系统自动化，2008，32(20):1-4.WANG Chengshan, WANG Shouxiang. Study on some keyVdcVC2problems related to distributed generation systemsJ. Automationof Electricer Systems, 2008, 32(20): 1-4(in Chi).VGS(MOSFET)3. 直流开断与直流断路器J. 高压电，器,2006,42(6):445-449VGS(SiC JFET

34、)断路器响应时间约3usVdc:100V/div VGS(MOSFFT) 5V/div VGS(SiC JFET):5V/divZHENG Zhanfeng, ZOU Jiyan, DONG Enyuan. DC current时间:4us/diverruption and DC circuit breakerJ. High Voltage Apparatus,(b). 参数优化后切除故障波形2006, 42(6): 445-449(in Chi)图 11.SSCB 参数优化前后大电流故障切除实验波形对比4，. 直流开断方法分析比较J 电工材料，Fig.11. Comparison of Hi

35、gh - Current Fault Resection Experiment2011(4):40-45Waveforms before and After SSCB Parameter OptimizationWANG Ronghua, LIU Yun.ysis and comparison of DC4 结论currenterruption methodsJElectrical Engineering Materials,2011(4): 40-45(in Chi)本文介绍了一种自供电型超快速直流 SSCB 的拓扑结构和工作原理，并对其驱动电路自供电原理，能量转5.高压直流断路器的研制J.

36、高压电器，1990(1):26-34BAO Minfeng. Development of high voltage DC circuit breaker移，参数设计等进行了详细的分析。通过研制断路器样J. High Voltage Apparatus, 1990(1): 26-34(in Chi)机和搭建短路故障实验进行实验，分别测试了反激6 BAANN B, MAUTHE G, RUOSS E, et al. Development of a电路和正反激电路两种 DC/DC 变换器的驱动电路响应500 kV air blast HVDC circuit breaker J. IEEE Tr

37、anions on波形，正反激电路设计有效提高了断路器的响应时间约er Apparatus and Systems, 1985, 104(9): 2460-24663us。最后通过 SSCB 检测电路参数优化前后的数据进行7 Sano K, Takasaki M. A Surgeless Solid-S e DC Circuit Breaker实验对比，检测电路优化后切除故障响应时间从原来的for Voltage-Source-Converter-Based HVDC SystemsJ. Industry5us 缩短为 3us，进一步验证了检测参数设计对断路器性Applications IEE

38、E Tranions on, 2014, 50(4): 2690-2699.能影响的重要性。8 Serda R F, Krstic S, Wellner E L, et al. IGCTs vs.s forcircuit breakers in advanced ship electrical systemsC.ElectricCSEE, 2004, 24(5): 153-156(in Chi).Ship Technologies Symium. IEEE, 2009: 400-405.15 Rich Serda, Rob Cuzner, Rodney Clark, et al. Shipbo

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